EP1217660A2 - Kühlvorrichtung - Google Patents

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EP1217660A2
EP1217660A2 EP01128650A EP01128650A EP1217660A2 EP 1217660 A2 EP1217660 A2 EP 1217660A2 EP 01128650 A EP01128650 A EP 01128650A EP 01128650 A EP01128650 A EP 01128650A EP 1217660 A2 EP1217660 A2 EP 1217660A2
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EP
European Patent Office
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base plate
cooling device
guide plate
sections
fan
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EP01128650A
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EP1217660A3 (de
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Michael Riebel
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Fujitsu Technology Solutions GmbH
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Fujitsu Technology Solutions GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/40—Arrangements for thermal protection or thermal control involving heat exchange by flowing fluids
    • H10W40/43—Arrangements for thermal protection or thermal control involving heat exchange by flowing fluids by flowing gases, e.g. forced air cooling

Definitions

  • the invention relates to a cooling device for electronic Components.
  • a wide variety of heat sinks are known. Small heatsink are to the standardized housing of for example Semiconductor components adapted and can be simply plugged on become. To improve the heat transfer between the semiconductor components and the heat sink, it is known to use so-called thermal paste. For large heat sinks mostly finished aluminum profiles are used. Different designs of heat sinks are for example from “N joiningmann, Dieter: The great workbook electronics, part A, Franzis-Verlag, Kunststoff 1998 "known.
  • the heat generated in microprocessors depends to a large extent depends on the clock frequency used. The higher the clock frequency is, the greater the power loss and thus the Heat that must be dissipated to the environment. Through progress in semiconductor technology is the clock frequency meanwhile so high that previously known heat sinks in the usual size is no longer sufficient, even if fans are used Forced cooling can be used. The only way it is therefore necessary to ensure adequate cooling to enlarge the heat sink further, but what from others constructive and technical reasons not desirable or is not possible.
  • the object of the present invention is therefore a Specify cooling device through which good cooling with little effort is achieved.
  • the dimensions of the cooling device should be as small as possible.
  • a cooling device in contact with a component to be cooled can be brought, a fan and a flow control device, by an arrangement of baffle sections is formed, and the air flow generated by the fan directs to the base plate and thermally conductive with the base plate is connected, being in the connection areas recesses between the guide plate sections and the base plate are provided to form air channels.
  • the baffle sections serve a dual function. To the one directs the air flow generated by the fan optimized for the areas to be cooled, on the other hand they are Baffle sections also thermally conductive, so that they Take over the function of cooling fins.
  • the air without large eddies in a flow channel up to the base plate led, with the base plate being the hottest spot represents the cooling device.
  • the air blown in from above undergoes a 90 ° deflection there.
  • the air is then discharged through the air ducts. A swirl takes place only at this point, which is much more effective is as a swirl in the area of cooling fins after the State of the art.
  • baffle sections by a spiral curved baffle formed perpendicular to the base plate stands.
  • the height of the baffle sections in the center of the cooling device less than to the outside.
  • FIG. 1 is a cooling device according to the invention shown, which is attached to a component 1 to be cooled is.
  • a flow control device 3 attached on the base plate 2 .
  • Both the base plate 2 and the flow guide device 3 are made of a thermally well conductive Made of material. Copper and Aluminum materials.
  • the flow guide 3 is with the base plate 2 connected so that good heat transfer ensured by the base plate 2 on the flow guide 3 is.
  • a Fan 4 with a fan hub 10 and fan blades 7 placed on the flow guide 3 . An air flow 6 is generated by the fan 4 enters the flow guiding device 3 from above and this leaves through air channels 5 again.
  • FIG 2 shows the top view of the cooling device of Figure 1.
  • the flow guide 3 has. It is through one Arrangement of guide plate sections 11 formed. This creates a flow channel which is blown in by the fan 4 Directs air in defined paths.
  • the baffle 11 spiral flow channel 12 formed. The orientation the spiral winding corresponds to the twist that of the Fan 4 blown air flow 6.
  • the Baffle sections 11 is a one-piece baffle 9, which is unwound is shown in Figure 3. At the center of the spiral Winding is a solid core 6. Die von the component 1 to be cooled transferred to the base plate 2 Heat is distributed in the base plate 2 and both on the massive core 6 and transferred to the guide plate sections 11. This is an optimal heat distribution and an optimal one Guaranteed heat absorption capacity of the cooling device.
  • the top of the Flow guide device 3 is blown air through air channels 5, which run on the surface of the base plate 2, dissipated again.
  • the air channels 5 are simple in that 9 punchings 13 are made in the guide plate are provided, the arrangement of which is such that a star-shaped in the state attached to the base plate 2 Arrangement of the air channels 5 results.
  • the production of a cooling device can so that a copper foil around a solid copper core is wrapped.
  • the copper foil forms the guide plate sections 11.
  • the copper foil is ideally about its height different thickness, for example between 0.2 mm and 0.5 mm.
  • the advantage of this is one of the following sections.
  • the initially tightly wrapped The film rotates after unloading after winding partly slightly up again. This process is wanted and must happen to a predetermined extent. To allow this in To ensure tolerances, the material and the insertion force can be precisely defined.
  • the resulting spiral is then soldered to the base plate 2, which advantageously is about 5 mm thick.
  • the development of the guide plate 9 shown in FIG. 3 is essentially trapezoidal. On a first side edge 14 the settlement is attached to the solid core 6. Thereby in the fully assembled state, there is a flow control device, where the height of the inner baffle sections is less than the height of the outside Leitblechabitese.
  • the material thickness of the guide plate 9 increases starting from the lower edge 15 to the upper edge 16 as shown in Figure 4.
  • the thermal conductivity the heat flow from the edge 15 to the edge 16. This results simply from the fact that heat is given off to the environment becomes.
  • FIG. 5 show further implementation options according to the invention Coolers.
  • FIG. 5 are guide plate sections 21 not by one piece Baffle formed, as in the case of the embodiment of Figure 2 is the case, but it will be separate Baffles used so that there are several flow channels 22nd form.
  • the air can only still circulate conditionally, i.e. in a rotational movement only move within a flow channel 22, however the air channels 5 can be dimensioned accordingly be, so that sufficient opportunity to discharge the Air flow 18 is present.
  • baffle sections 31 in turn formed in one piece by a baffle 32.
  • a spiral flow channel 23 the baffle sections 31 are straight in sections.
  • a section 33 of the outermost baffle section is designed such that a sufficiently large openings near the base plate 2 results in the rotation of the spiral To vent air. At the top of this section 33, which however cannot be seen in the figure is, there is no longer an opening to a positive To make connection to a fan 4 possible.

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  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung mit einer Basisplatte (2) und einem Lüfter (4) sowie einer Strömungsleitvorrichtung (3), die durch eine Anordnung aus Leitblechabschnitten (11; 21; 31) gebildet ist. Durch die Strömungsleitvorrichtung (3) wird ein von dem Lüfter (4) erzeugter Luftstrom auf die Basisplatte (2) gelenkt. In den Verbindungsbereichen zwischen den Leitblechabschnitten (11; 21; 31) und der Basisplatte (2) sind Ausnehmungen (13) zur Bildung von Luftkanälen (5) vorgesehen. Dadurch ergeben sich besonders gute Wärmeabgabeeigenschaften.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für elektronische Bauelemente.
Es ist eine große Vielfalt von Kühlkörpern bekannt. Kleinkühlkörper sind an die genormten Gehäuse von beispielsweise Halbleiterbauelementen angepaßt und können einfach aufgesteckt werden. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen den Halbleiterbauelementen und dem Kühlkörper ist es bekannt, sogenannte Wärmeleitpaste zu verwenden. Für Großkühlkörper werden vorwiegend fertig gezogene Aluminium-Profile benutzt. Verschiedene Ausführungen von Kühlkörpern sind beispielsweise aus "Nührmann, Dieter: Das große Werkbuch Elektronik, Teil A, Franzis-Verlag, München 1998" bekannt.
Bei Mikroprozessoren hängt die erzeugte Wärme in hohem Maß von der verwendeten Taktfrequenz ab. Je höher die Taktfrequenz ist, desto größer ist die Verlustleistung und damit die Wärme, die an die Umgebung abgeführt werden muß. Durch Fortschritte in der Halbleitertechnologie ist die Taktfrequenz mittlerweile so hoch, daß bisher bekannte Kühlkörper in der üblichen Größe nicht mehr ausreichen, selbst wenn Lüfter zur Zwangskühlung eingesetzt werden. Die einzige Möglichkeit, dennoch eine ausreichende Kühlung sicherzustellen, ist daher die Kühlkörper weiter zu vergrößern, was aber aus anderen konstruktiven und technischen Gründen nicht wünschenswert oder nicht möglich ist.
Prinzipiell ist es bekannt, einen Lüfter direkt auf einen Kühlkörper aufzusetzen, wodurch eine erhöhte Wärmeabgabefähigkeit des Kühlkörpers erreicht wird. Problematisch dabei ist, daß die austretende Luft durch Störkonturen der Kühlrippen verwirbelt wird und nicht im gewünschten Maß die Kühlung verbessert. Ein Großteil der Strömungsenergie wird durch die Verwirbelungen vernichtet und beispielsweise in Schall umgewandelt, was zu einer unerwünschten Geräuschentstehung führt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühlvorrichtung anzugeben, durch die eine gute Kühlung mit geringem Aufwand erreicht wird. Die Abmessungen der Kühlvorrichtung sollen dabei möglichst klein sein.
Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung gelöst mit einer Basisplatte, die mit einem zu kühlenden Bauteil in Kontakt bringbar ist, einem Lüfter und einer Strömungsleitvorrichtung, die durch eine Anordnung aus Leitblechabschnitten gebildet ist, und die einen durch den Lüfter erzeugten Luftstrom auf die Basisplatte lenkt und wärmeleitend mit der Basisplatte verbunden ist, wobei in den Verbindungsbereichen zwischen den Leitblechabschnitten und der Basisplatte Ausnehmungen zur Bildung von Luftkanälen vorgesehen sind.
Die Leitblechabschnitte erfüllen eine doppelte Funktion. Zum einen lenken sie die durch den Lüfter erzeugte Luftströmung optimiert auf die zu kühlenden Bereiche, zum anderen sind die Leitblechabschnitte ebenfalls wärmeleitfähig, so daß sie die Funktion von Kühlrippen übernehmen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Leitblechabschnitte wird die Luft ohne große Verwirbelungen in einem Strömungskanal bis zu der Basisplatte geführt, wobei die Basisplatte die heißeste Stelle der Kühlvorrichtung darstellt. Die von oben eingeblasene Luft erfährt dort eine Umlenkung um 90°. Die Luft wird anschließend durch die Luftkanäle abgeführt. Eine Verwirbelung findet erst an dieser Stelle statt, was wesentlich wirkungsvoller ist als eine Verwirbelung im Bereich von Kühlrippen nach dem Stand der Technik. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Leitblechabschnitte durch ein spiralförmig gebogenes Leitblech gebildet, das senkrecht auf der Basisplatte steht. Um den Lufteintritt in den oder die spiralförmigen Strömungskanäle zu erleichtern ist es von Vorteil, wenn die Höhe der Leitblechabschnitte im Zentrum der Kühlvorrichtung geringer ist als nach außen hin.
Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich, wenn die Dicke der Leitblechabschnitte ausgehend von der Basisplatte abnehmend ist. In Richtung der Luftbewegung verengt sich dadurch der Querschnitt des oder der Strömungskanäle, was zu einer Strömungsbeschleunigung und damit zu einer besonders guten Kühlleistung führt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt:
Figur 1
eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung in einer Seitenansicht,
Figur 2
die Kühlvorrichtung von Figur 1 in einer Draufsicht,
Figur 3
eine Abwicklung der Kühlblechabschnitte der Kühlvorrichtung von Figur 1 und 2,
Figur 4
einen Querschnitt durch einen Leitblechabschnitt,
Figur 5
ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung in einer Draufsicht,
Figur 6
ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung in einer Draufsicht und
Figur 7
ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung in einer Seitenansicht.
In der Figur 1 ist eine Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt, die auf einem zu kühlenden Bauteil 1 befestigt ist. Auf der Basisplatte 2 ist eine Strömungsleitvorrichtung 3 befestigt. Sowohl die Basisplatte 2 als auch die Strömungsleitvorrichtung 3 sind aus einem thermisch gut leitenden Material gefertigt. Besonders gut geeignet sind Kupfer- und Aluminiumwerkstoffe. Die Strömungsleitvorrichtung 3 ist mit der Basisplatte 2 so verbunden, daß ein guter Wärmeübergang von der Basisplatte 2 auf die Strömungsleitvorrichtung 3 sichergestellt ist. Auf die Strömungsleitvorrichtung 3 ist ein Lüfter 4 mit einer Lüfternabe 10 und Lüfterflügeln 7 aufgesetzt. Durch den Lüfter 4 wird ein Luftstrom 6 erzeugt, der von oben in die Strömungsleitvorrichtung 3 eintritt und diese durch Luftkanäle 5 wieder verläßt.
Figur 2 zeigt die Draufsicht auf die Kühlvorrichtung von Figur 1. In dieser Darstellung ist gut zu erkennen, welche Form die Strömungsleitvorrichtung 3 besitzt. Sie ist durch eine Anordnung aus Leitblechabschnitten 11 gebildet. Dadurch entsteht ein Strömungskanal, der die von dem Lüfter 4 eingeblasene Luft in definierten Bahnen lenkt. In dem Ausführungsbeispiel von Figur 2 ist durch die Leitblechabschnitte 11 ein spiralförmiger Strömungskanal 12 gebildet. Die Orientierung der spiralförmigen Wicklung entspricht dem Drall der von dem Lüfter 4 eingeblasenen Luftströmung 6. Insgesamt bilden die Leitblechabschnitte 11 ein einstückiges Leitblech 9, das abgewickelt in Figur 3 dargestellt ist. Im Zentrum der spiralförmigen Wicklung befindet sich ein massiver Kern 6. Die von dem zu kühlenden Bauteil 1 auf die Basisplatte 2 übertragene Wärme wird in der Basisplatte 2 verteilt und sowohl auf den massiven Kern 6 als auch auf die Leitblechabschnitte 11 übertragen. Damit ist eine optimale Wärmeverteilung und eine optimale Wärmeaufnahmefähigkeit der Kühlvorrichtung gewährleistet.
Wegen der Doppelfunktion der Leitblechabschnitte 11 zur Strömungsleitung und zur Wärmeabgabe ist es wichtig, daß die Verbindung zwischen den Leitblechabschnitten 11 und der Basisplatte 2 wärmeleitend erfolgt. Die günstigste Leitfähigkeite besitzt eine Lötverbindung, aber auch eine Verbindung mit einem wärmeleitfähigen Kleber ist denkbar. Die von oben in die Strömungsleitvorrichtung 3 eingeblasene Luft wird durch Luftkanäle 5, die auf der Oberfläche der Basisplatte 2 verlaufen, wieder abgeführt. Die Luftkanäle 5 werden in einfacher Weise dadurch realisiert, daß in dem Leitblech 9 Ausstanzungen 13 vorgesehen sind, wobei deren Anordnung so erfolgt, daß sich im auf der Basisplatte 2 befestigten Zustand eine sternförmige Anordnung der Luftkanäle 5 ergibt.
Die Herstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung kann so erfolgen, daß eine Kupferfolie um einen massiven Kupferkern gewickelt wird. Die Kupferfolie bildet die Leitblechabschnitte 11. Die Kupferfolie ist über ihre Höhe idealerweise unterschiedlich dick, beispielsweise zwischen 0,2 mm und 0,5 mm. Der Vorteil, der sich hierdurch ergibt, ist in einem der folgenden Abschnitte beschrieben. Die zunächst eng gewikkelte Folie dreht sich durch Entlastung nach dem Wickeln teilweise leicht wieder auf. Dieser Vorgang ist gewollt und muß im vorbestimmten Maße geschehen. Um dieses in zulässigen Toleranzen sicherzustellen, muß das Material und die Eindrehkraft genau definiert werden. Die somit entstandene Spirale wird anschließend auf die Basisplatte 2 gelötet, die vorteilhafterweise ca. 5 mm dick ist.
Die in Figur 3 dargestellte Abwicklung des Leitblechs 9 ist im wesentlichen trapezförmig. An einer ersten Seitenkante 14 wird die Abwicklung an dem massiven Kern 6 befestigt. Dadurch ergibt sich im fertig montierten Zustand eine Strömungsleitvorrichtung, bei der die Höhe der innen liegenden Leitblechabschnitte geringer ist als die Höhe der außen liegenden Leitblechabschnitte. Die Materialdicke des Leitblechs 9 nimmt ausgehend von der unteren Kante 15 bis zur oberen Kante 16 ab, wie in Figur 4 dargestellt ist. In einer günstigen Ausführung beträgt die Dicke des Leitblechs an der Kante 15 ungefähr a = 0,5 mm und an der oberen Kante 16 b = 0,2 mm. Dies trägt sowohl der Wärmeleitfunktion als auch der Strömungsleitfunktion Rechnung. Bezüglich der Wärmeleitfunktion nimmt der Wärmestrom von der Kante 15 zur Kante 16 hin ab. Dies resultiert einfach daraus, daß Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Bei einer nach oben hin abnehmenden Leitblechdicke bleibt die Wärmestromdichte daher gleich. Bezüglich der Strömungsleitfunktion ergibt sich durch diese Ausgestaltung der Leitblechdicke ein nach unten, also zur Basisplatte 2 hin abnehmender Strömungskanalquerschnitt. Dies führt zu einer Beschleunigung der Strömungsbewegung zur Basisplatte 2 hin, was den Wärmeübergang von der Basisplatte 2 bzw. den Leitblechabschnitten 11 in diesem Bereich verbessert. An der Basisplatte 2 angekommen, wird die Luft um 90° abgelenkt und verläßt die Kühlvorrichtung durch die Luftkanäle 5.
Die in den Figuren 5, 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen weitere Realisierungsmöglichkeiten erfindungsgemäßer Kühlvorrichtungen. Im Ausführungsbeispiel von der Figur 5 sind Leitblechabschnitte 21 nicht durch ein einstückiges Leitblech gebildet, wie dies im Fall des Ausführungsbeispiels von Figur 2 der Fall ist, sondern es werden separate Leitbleche verwendet, so daß sich mehrere Strömungskanäle 22 bilden. Zwar kann in einer solchen Ausführung die Luft nur noch bedingt zirkulieren, also sich in einer Rotationsbewegung nur noch innerhalb eines Strömungskanals 22 bewegen, allerdings können die Luftkanäle 5 entsprechend dimensioniert werden, so daß ausreichende Möglichkeit zur Abführung der Luftströmung 18 vorhanden ist.
Im Ausführungsbeispiel von der Figur 6 sind Leitblechabschnitte 31 wiederum einstückig durch ein Leitblech 32 gebildet. Dadurch ergibt sich, wie im Ausführungsbeispiel von Figur 2, ein spiralförmiger Strömungskanal 23, wobei die Leitblechabschnitte 31 abschnittsweise gerade sind. Ein Abschnitt 33 des äußersten Leitblechabschnitts ist so ausgestaltet, daß sich nahe der Basisplatte 2 eine ausreichend große Öffnungen ergibt, um die sich durch die Spirale in einer Drehung befindliche Luft abzuführen. Im oberen Bereich dieses Abschnitts 33, was allerdings in der Figur nicht zu erkennen ist, ist keine Öffnung mehr vorhanden, um eine formschlüssige Verbindung zu einem Lüfter 4 möglich zu machen.
In den Ausführungsbeispielen der Figuren 2, 5 und 6 sind die Leitblechabschnitte 11, 21 bzw. 31 senkrecht auf der Basisplatte 2 angeordnet. In der Figur 7 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem dies nicht der Fall ist, beispielsweise um den Einbau weiterer Systemkomponenten von den Platzgründen her zu ermöglichen.
In der Beschreibung der Ausführungsbeispiele wurde der Begriff Leitblech verwendet. Dieser ist auch so zu verstehen, daß es sich beispielsweise um eine Folie oder eine Gußteil handeln kann. Die erfindungsgemäße Funktion wird dennoch erfüllt.

Claims (9)

  1. Kühlvorrichtung mit
    einer Basisplatte (2), die mit einem zu kühlenden Bauteil (1) in Kontakt bringbar ist,
    einem Lüfter (4) und
    einer Strömungsleitvorrichtung (3), die durch eine Anordnung aus Leitblechabschnitten (11; 21; 31) gebildet ist, und die einen durch den Lüfter (4) erzeugten Luftstrom (18) auf die Basisplatte (2) lenkt und wärmeleitend mit der Basisplatte (2) verbunden ist, wobei in den Verbindungsbereichen zwischen den Leitblechabschnitten (11; 21; 31) und der Basisplatte (2) Ausnehmungen (13) zur Bildung von Luftkanälen (5) vorgesehen sind.
  2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Leitblechabschnitte (11; 21; 31) auf der Basisplatte (2) senkrecht stehen.
  3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Leitblechabschnitte (11) durch ein spiralförmig gebogenes Leitblech (9) gebildet sind.
  4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Leitblechabschnitte (21) einzelne Leitbleche sind.
  5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Höhe des Leitblechs von innen nach außen zunimmt.
  6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Höhe von innen liegenden Leitblechabschnitten geringer ist als die Höhe von außen liegenden Leitblechabschnitten.
  7. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Dicke der Leitblechabschnitte ausgehend von der Basisplatte (2) abnimmt.
  8. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Lüfter (4) formschlüssig mit dem äußersten Leitblechabschnitt verbunden ist.
  9. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Strömungsleitvorrichtung (3) einen massiven Kern (6) besitzt, der wärmeleitend mit der Basisplatte (2) und den Leitblechabschnitten (11;31) verbunden ist.
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